一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法技术

本申请涉及一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，所述方法包括利用单晶生长装置和保温装置进行碳化硅单晶生长的步骤，在单晶生长过程中通过旋转保温装置以提高温度场分布的均匀度；并且，在单晶生长过程中单晶生长装置保持静止状态。本申请所提供的碳化硅单晶生长方法简单，自动化程度高，整体费用低，经济效益高，该方法制备的碳化硅晶体内部应力小，基本上没有晶格错位现象的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法
本申请涉及一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，属于电子工业和半导体材料

技术介绍
碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。目前主流的碳化硅单晶生长技术是物理气相输运(PVT)法，即在高温下使碳化硅原料升华产生的气相源输运至籽晶处重新结晶而成。PVT法生长碳化硅单晶的生长过程在密闭的石墨坩埚中进行，坩埚上部、下部及外部一般利用石墨毡材料进行保温，且会重复利用。在高温环境下，保温材料不断发生石墨化而发生质量损失，而由于加热线圈几何位置等因素，外保温碳化后往往厚度不均匀、而且坩埚本身也会在高温下发生损失，由于坩埚本身的不均匀性以及受热的不均匀性，都会导致石墨坩埚的温度场分布极其不均匀，最终导致得到的碳化硅晶体结构不均匀，内部应力分布不均，影响碳化硅的单晶晶圆质量。为了克服碳化硅单晶生长过程中温度场不均匀的问题，CN105442038A公开了一种SiC单晶生长设备中单晶生长装置独立旋转机构，包括下法兰盘，在下法兰盘的顶面上固定设置有外保温支撑架，在外保温支撑架上固定设置有单晶生长装置的外保温层，在外保温层中活动设置有桶型单晶生长装置，在桶型单晶生长装置的顶面上设置有上保温层，在桶型单晶生长装置的下底面上设置有下保温层，在下保温层的下底面上连接有桶型单晶生长装置支架，在下法兰盘上设置有电机，在电机的输出轴上连接有主动齿轮，在桶型单晶生长装置支架上设置有环形齿条，主动齿轮与环形齿条啮合在一起的；在电机的输出轴上设置有磁流体；该专利实质上是利用单晶生长装置独立于外保温层、感应线圈旋转，使其旋转速率可调，有效地提升了温场结构对称性，提高碳化硅单晶对称性和晶体质量。CN105970285A公开了一种调节碳化硅单晶生长温度的方法，它包括使籽晶与单晶生长装置同轴，且使籽晶与单晶生长装置沿相反放线旋转；通过控制晶体转速和单晶生长装置转速，控制熔体温度场和温度分布；使感应线圈固定不动；通过单晶生长装置升降，调节碳化硅升华的平面始终处于感应线圈磁场的最高点，该专利实质上通过固定感应线圈，感应线圈的磁场固定在原来区域，外部环境保持原样，然后通过升降单晶生长装置，调节碳化硅升华的平面始终处于感应线圈磁场的最高点，确保碳化硅从粉料的最上层有规则升华，通过精确控制晶体和单晶生长装置转速，形成熔体温度场和温度分布，从而控制单晶硅中的氧分布和掺杂元素分布的均匀性，使产品质量有效提高，本方法中温度变化平稳，操作安全性高。上述两个专利都利用到了单晶生长装置的旋转，其之所以采用该种方式，主要是因为在加热过程中，若进行单晶生长装置的旋转，理论上起到均衡内部物料的作用，因此从理论上来讲能够提高元素分布的均衡性；相对而言，温度场的调节实质上也是为了提高元素分布的均衡性。综上，在本领域技术人员看来，单晶生长装置旋转有利于温度分布以及元素分布的稳定性。但是有一个不容忽视的问题在于，由于单晶生长装置旋转过程中，会导致内部的原料、升华的气相组份、籽晶等都进行旋转，因此旋转的状态则会导致气相组份的传输以及生长都处于不稳定状态，而该种不稳定状态导致生长得到的单晶依然存在内部应力较大以及单晶晶圆质量较差的问题。因此在CN105256371B中，公开了一种提高物理气相传输法晶体生长炉温场均匀性的装置，包括晶体生长炉，所述晶体生长炉包括射频电源、接触电极、线圈、保温层和石墨单晶生长装置，所述线圈以水平轴对称方式均匀布置在所述保温层外侧，另外，该线圈可通过旋转装置实现绕保温层旋转。本申请通过改变线圈围生长炉缠绕方式来提高生长炉温场的均匀性，本申请线圈可采用单根或多跟线缠绕成线圈，并保证线圈以水平轴对称方式围绕生长炉布置，有助于降低线圈因螺旋布置引起的较大的生长炉轴向温度梯度。另外，射频电源与线圈以自由接触方式相连，使得线圈可以围绕生长炉旋转，实现对生长炉的三维均匀加热，提高生长炉温场均匀性。但是该申请中只是线圈可以进行转动，但由于保温层本身会有不均匀的现象，而主要的保温媒介就是保温层，实际上保温层可以起到均衡温度分配的目的。该申请并无法解决保温层不均匀性带来的整体温度场均匀性差的情况。除此之外，由于在保温层或者供能机构旋转或者运动过程中提供的温度场是一种动态的变化过程，此种动态的变化过程，还存在一个问题是如何控制整个工艺过程，能够使得PVT法可以得到较好的单晶。由于结晶的过程受到温度场均匀性以及整个场的分布方式、籽晶温度控制、整体压力控制、时长控制等问题，在上述引用的现有技术中，并没有提供可行的整体工艺参数以实现得到符合要求的碳化硅单晶的目的。申请内容为了解决上述问题，本申请提出了一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，该方法制备的碳化硅单晶的过控简便，自动化程度高，制备费用低，经济效益高，方法简单。本申请为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，所述方法包括利用单晶生长装置和保温装置进行碳化硅单晶生长的步骤，在单晶生长过程中通过旋转保温装置以提高温度场分布的均匀度；并且，在单晶生长过程中单晶生长装置保持静止状态。放置原料于单晶生长装置内，在单晶生长装置外设有可旋转的保温装置，将单晶生长装置内的气氛置换为保护气气氛，所述单晶生长装置在保温装置的作用下加热至第一温度并在保护气装置的作用下将气氛压力维持在第一压力；所述保温装置发生旋转为单晶生长装置提供稳定环境；在保温装置的旋转下加热至第二温度并在保护气装置的作用下将第一压力减压至第二压力，并保持至原料转化生长阶段完毕；在保温装置的旋转下，并在保护气装置的作用下将第二压力增压至第三压力，完成晶体的最后生长阶段。优选的，在保温装置外设有加热装置，所述保温装置完全包裹住单晶生长装置，所述加热装置包括用于原料加热的第一加热装置和/或用于籽晶加热的第二加热装置。保温装置本身的主要目的是防止热量的散失，使得单晶生长装置能够到达其能到达的要求温度。优选的，所述单晶生长装置固定设置，所述保温装置可围绕单晶生长装置进行旋转。避免单晶生长装置旋转扰乱原料、气相组分的分布，以减少晶体缺陷的形成。优选的，所述单晶生长装置为石墨单晶生长装置。石墨单晶生长装置为常用的单晶生长装置，但本申请并不限于该种形式，也可采用其他能够生成碳化硅的其他容器形式。优选的，所述保温装置包括设在单晶生长装置侧部的外部保温层、设在单晶生长装置顶部的顶部保温层、以及设在单晶生长装置底部的底部保温层，所述外部保温层外侧设有加热装置，所述外部保温层与加热装置固连或活动设置，所述外部保温层下设有一用于外部保温层旋转的旋转机构。加热装置可以与外部保温层一块旋转，以更好的提高单晶生长装置受热的均匀性；若不一块旋转，也可通过外部保温层的旋转以避免由于保温层碳化以及石墨单晶生长装置损失造成的传热不均的现象。优选的，所述保温装置包括设在单晶生长装置侧部的外部保温层、设在单晶生长装置顶部的顶部保温层、以及设在单晶生长装置底部的底部保温层，所述外部保温层外侧设有加热装置，所述外部保温层与加热装置固连或活动设置，所述外部保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，所述方法包括利用单晶生长装置和保温装置进行碳化硅单晶生长的步骤，其特征在于，在单晶生长过程中通过旋转保温装置以提高温度场分布的均匀度；并且，在单晶生长过程中单晶生长装置保持静止状态。

【技术特征摘要】
1.一种提高碳化硅单晶生长过程中温度场分布均匀度的方法，所述方法包括利用单晶生长装置和保温装置进行碳化硅单晶生长的步骤，其特征在于，在单晶生长过程中通过旋转保温装置以提高温度场分布的均匀度；并且，在单晶生长过程中单晶生长装置保持静止状态。2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，在保温装置外设有加热装置，所述保温装置完全包裹住单晶生长装置，所述加热装置包括用于原料加热的第一加热装置和/或用于籽晶加热的第二加热装置。3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述单晶生长装置固定设置，所述保温装置可围绕单晶生长装置进行旋转。4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述单晶生长装置为石墨坩埚。5.根据权利要求2所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述保温装置包括设在单晶生长装置侧部的外部保温层、设在单晶生长装置顶部的顶部保温层、以及设在单晶生长装置底部的底部保温层，所述外部保温层外侧设有加热装置，所述外部保温层与加热装置固连或活动设置，所述外部保温层下设有一用于外部保温层旋转的旋转机构。6.根据权利要求2所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述保温装置包括设在单晶生长装置侧部的外部保温层、设在单晶生长装置顶部的顶部保温层、以及设在单晶生长装置底部的底部保温层，所述外部保温层外侧设有加热装置，所述外部保温层与加热装置固连或活动设置，所述外部保温层、顶部保温层以及底部保温层固连设置，所述外部保温层下设有一用于保温装置旋转的旋转机构。7.根据权利要求5所述的碳化硅单晶生长方法，其特征在于，所述旋转机构包括与外部保温层相连的若干保温支架，在保温支架外设有一环形...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁秀秀，高超，梁晓亮，李霞，宗艳民，李加林，窦文涛，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37